从飞机上发射火箭加速飞行器的方法技术

本发明专利技术涉及一种从正在飞行中的运载飞机上分离开的空中发射火箭加速飞行器的方法，其中飞行器具有用以提供升力及轨迹控制的可控制机翼装置以及可控制的推力装置。本发明专利技术建立一种有效的发射轨道、超轨道或亚轨道火箭加速飞行器的方法，并能减少推力方向损失，阻力损失、重力损失及大气压力诱导的推力减少损失等不利后果。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术有关于一种用装翼的火箭推进飞行器来安全有效地运送各种载荷到轨道、超轨道(即逃逸了地球的)及亚轨道高度及速度的一种方法。更具体的讲，本专利技术是有关于一种空中布置的、升力辅助的、以火箭为动力的加速飞行器(ALBV);以及有关于上述飞行器的发射方式，这种方式的使用在给定的载荷重量及火箭推进系统技术水平条件限制下可以大大减少所需的火箭推进剂质量及有关设备的要求而使该飞行器达到最终所要求的高度及速度。实际上，采用了当代最先进的航天飞行器发射技术，在给定载荷重量下与相当的地面发射的加速器来比较，本专利技术的加速器的总重量可以减少大约百分之五十，并且在发射系统费用上也可以相应的减少。商业部门及政府部门都愈益需要高效、经济而可靠的能运载载荷的空间飞行器及其发射方法。以往采用过许多发射各种载荷到空间去的方法，但至今只能在安全性、经济性、可靠性及操纵灵活性等需要考虑的方面作出种种明显的折衷。过去常用的发射载荷的方法是采用常规的地面发射的弹道(亦即无升力的)加速火箭。但是，这类火箭需要复杂的地面起飞设施，包括发射台设备;且在操作及地理方面受到极大的限制，由于推进剂及飞行通过人口稠密区而带来的危险性。而且，常规的地面发射的加速器有其固有的低效性，这是由于设计及操纵方面的各种矛盾必须予以调和折衷而引起的。由于这些低效性，这样的系统在尺寸、成本及复杂性方面都增加了，从而导致了经济性很差或者不适合于某些应用场合。在常规的地面发射弹道加速器所需考虑的许多矛盾中，其中有一对是推力方向损失及阻力损失，必须采取折衷。具体来讲，由于对圆形、椭圆形及其它多数有兴趣的轨道来讲任务要求的最终飞行姿态是水平或基本上水平的，所以常规的垂直发射火箭必须从其初始的垂直爬升俯仰向上爬升到近于水平以达到最终的轨道飞行姿态。到达轨道时要求高速而近于水平的飞行。为了尽量减少这种与推力方向改变有关的损失(亦即推力方向损失)，理想地应该使飞行器在相对较低速度爬升时就俯仰向上，从而使在飞行轨迹的早期就近于水平爬升。美国ApolloProgramLunarModule在升离月球表面以后到达月球轨道就是在无大气条件下(即真空)利用上述这种浅爬升特性的一个例子。但是结构应力及气动加热等因素，阻碍了这种理想的飞行轨迹在飞行器经过大气层发射条件下的应用。包括阻力及升力的气动力是随参数pv2增加而增加的，此处p是大气密度，v是飞行器速度，乘积1/2pv2是动压力。所以相应地对于给定速度下，高度低比高度高时阻力大，因为低空时的p较大。在爬升过程中，p是连续减少的，而同时随着在加速火箭飞行期间的飞行器加速v2是连续增加的，所以希望在动压力达到最大值之前飞行器尽可能地接近垂直爬升从而使作用在飞行器上的峰值气动载荷变得最小。因此，与Lunar Module的无大气条件下爬升不同，气动载荷的考虑迫使常规的地面发射的加速器按垂直方向发射并且从垂直到最终的飞行姿态的大多数俯仰向上运动应该在pv2达到其最大值之后才进行。这样一来，俯仰向上运动是在极高的v(而p是低的)时出现，而气动载荷的减少是付出了由于推力方向损失而造成的使用过量的推进剂这样的代价而得到的。此外，由于常规的弹道加速器花费了大部分飞行时间于垂直或近于垂直的飞行姿态，重力直接与飞行器的部分推力相抵销，从而导致另一种损失，通常称之谓重力损失。虽然重力损失随着飞行器趋于水平飞行而减少，但是上述气动载荷的因素妨碍了飞行器在达到最大pv2值之前作基本的水平飞行。结果，常规的加速飞行器在其爬升轨迹的大部分过程中遭致显著的重力损失。而且，加速火箭发动机的效率是随着排气喷口的膨胀比或出口面积的加大而增加的。但是喷管出口面积增加时，作用在火箭发动机喷管出口面积上的大气环境压力会减少发动机的净推力。此推力损失通常是被称之谓“大气压力诱导的推力减少损失”，为了减少上述损失而使在大气稠密区(较低空)中得到最大的净推力就必须在设计常规的加速器的同时考虑到喷管出口面积或膨胀比，结果发动机的推进效率低于峰值发动机推进效率。前面已经叙述清楚了，推力方向损失、阻力损失、重力损失及大气压力诱导的推力减少损失涉及到各种复杂的互相交积的种种考虑，从而导致了加速器的性能低于最佳性能及其飞行轨迹操纵差于最佳轨迹操纵。这类性能及操纵方面的调和和折衷大大增加了给定载荷重量的常规加速器的尺寸、复杂性及经济上的耗费。为了克服这些缺点，本专利技术提出了从高空高速飞机上发射具有升力爬升的加速飞行器。从正在飞行中的运载飞机上发射加速飞行器具有显著的附加优点，即将飞机的高度及速度的能量(位能及动能)直接贡献给加速器用作为其在轨道中爬升的部分能量。这些在轨道方面作出的贡献是地面发射的加速飞行器所无法提供的。地面发射飞行器的另一缺点是其相对于赤道的合成轨道的倾斜角是受到发射位置的纬度及航程考虑的限制，这些限制了发射方向(亦即发射轨迹必须不经过人口稠密区)。从在飞行的飞机上发射的优点是飞机的速度向量能够被调整得与最终需要的轨道平面相一致。运载飞机可以飞到任何需要的发射位置(任意需要的纬度，通常在海洋区上空)且在发射之前调整飞机的速度向量使与轨道平面一致。能飞到所需的位置及纬度以及具有所需的轨道方向的主要优点是加速飞行器不必进行耗能量的改变倾斜的机动飞行来达到所需的轨道的倾斜，而这种加速器的机动飞行与飞机进行同样的机动飞行来比是效率低得多的。空中发射比地面发射的另一优点是飞机能在发射时刻飞到具有好天气条件的任何发射地点。地面发射是典型地限制于几个选定的地点，这是由于安全及保卫方面的考虑以及由于它需要可供发射的设施，而这些设施通常只是在固定的地点的。这样，和地面发射相比，空中发射由于天气条件限制而推迟或取消的可能性就减少了。曾经提出过各种水平发射的飞行器的结构。但是由于下面叙述可见，这些方案中没有一个具有本专利技术所提供的设计及运行上的种种优点。杰克逊(Jackson)等在美国专利4265416中公布了一个方案，其中采用一个或多个可重复使用的涡轮喷气发动机推进的有翼加速飞行器来助推一个可回收的有翼轨道飞行器而从跑道上进行地面水平发射。为了发射轨道飞行器是可释放地与加速飞行器连接的。加速飞行器帮助火箭动力轨道飞行器爬升到分级的高度(stagingaltitude)，然后它就被释放而飞回到地面进而水平着落后再使用。飞行器的可回收特点要求它能重返大气层且能利用其机翼飞回并降落到跑道上。在此飞行器中，轨道飞行器及加速器的机翼都能提供升力，这在某种程度上可以克服重力损失。但昌由于这种发射用的飞行器的尺寸大且技术复杂而使设计研制及试验的费用非常庞大，因而对于发射小的轨道载荷即小于1000磅的载荷来讲是不实际的且成本上也是行不通的。再则，主要由于可回收的要求所造成的结构上的复杂性及尺寸加大也降低了飞行器的载荷能力。TeledyneBrownEngineering(公司)曾提出过另一个发射系统，这是利用正在飞行中的运载飞机未发射有翼加速飞行器。该系统包括有一个不载人的带翼航天飞行器，该飞行器是适合于在诸如波音747这种常规飞机的上部进行发射的。所提出的这个“背在肩上”的发射技术必须仔细考虑当飞行器仍固定于运载飞机上部时起动及测试。这种发射方法是极为危险的因而大大限制了这种方法的广泛应用。另外，这种系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从正在飞行中的运载飞机上分离开的空中发射火箭加速飞行器的方法，其中飞行器具有用以提供升力及轨迹控制的可控制机翼装置，且为了上述飞行器的推进及提供轨迹控制的可控制的推力装置，这些包括了下列各步骤：把所述飞行器可拆卸地安装于所述的运载飞机；把上述飞行器带到发射位置；在发射位置使所述飞行器与上述运载飞机分离；起动上述推力装置以推进上述飞行器沿着一个上升的轨迹；控制所述机翼装置使上述飞行器沿着所要求的轨迹上升和导引直到动力压力少于预定的值；将上述机翼装置从上述飞行器上拆开；并且控制上述推力装置以推进和导引上述飞行器沿着所要求的轨迹，除非上述机翼装置被分离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：安托尼奥L埃利亚斯，
申请(专利权)人：奥比泰尔科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]